基于理論與數值分析的衡重式擋墻優化設計

方延強，蔣志軍，周昌全，明海波，鄭 瓊

(四川渝建研建設工程質量檢測有限責任公司，四川成都 610041)

1 引言

重力式擋土墻因其就地取材，造價低廉，施工方便等特點，目前是擋土結構中應用時間最長且最廣泛的結構型式。由于重力式擋土墻靠自重維持平衡穩定，因此體積、質量均較大，在軟弱地基上修建往往受到承載力的限制。如果墻太高，則耗費材料過多，也不經濟。在《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2011)［1］中規定:“重力式擋土墻僅適用于H≤8m的情況”。但在施工工程中，由于其可就地取材、價格低廉等特點，在某些地基條件較好的高邊坡工程中也采用衡重式擋墻。

吳海根［2］通過對帶卸荷板的扶壁式擋土墻進行了分析，并通過實例驗證，設置卸荷板可以增大擋土墻抗滑穩定系數的安全儲備，從而使墻的斷面尺寸具有進一步優化的余地;并從安全性和經濟性角度考慮，得到了適合的卸荷板尺寸及位置優化方案;胡云龍，劉國楠，趙有明［3］推導了衡重式樁板擋墻結構內力及變形計算公式，并采用有限元法對比驗證了理論計算公式;劉永春，王石磊［4］通過設計實例，研究了衡重式樁板擋墻的受力特征，并對影響因素進行了分析;路林海，劉正銀，張明晶等［5］對某衡重式擋墻典型病害情況進行了分析和討論，找出了病害產生的原因，通過數值模擬計算分析了此類擋墻的變形及受力特征，并在深入分析和計算的基礎上，制定了有針對性的加固處置方案。

在前人研究的基礎上，通過理論分析與數值分析相結合的方法對受地下管線限制條件下衡重式擋土墻進行優化設計，通過在墻頂處增加鋼筋混凝土卸荷板，降低了墻身土壓力，進而減小了墻身的尺寸，避免了現場管線的遷改，而且壓縮了施工工期，取得了良好的工程效益。

2 工程概況

某市山區道路在拓寬改建過程中，道路兩側形成高陡坡路基，該段道路上覆層為砂質粘土，下伏基巖為強風化泥巖夾砂巖，基巖風化情況嚴重。由于現狀地面橫坡較陡，為確保道路路基的穩定性，在道路右側路肩處考慮設置支擋結構。根據工程實際情況，業主及設計、地勘等各方經過討論，初步擬定采用衡重式擋土墻作為推薦方案。

在現場勘查過程中發現，路基底部存在大型通信光纜，根據計算，無論是采取衡重式擋墻還是扶壁式擋墻，其基礎墻趾處均與現有通信光纜沖突，沖突區段長達50m左右。

考慮到如果遷改通信光纜，一方面工程造價將大大增加，另一方面，也將嚴重影響到施工的進度。因此，必須在現有方案的基礎上對擋土墻進行優化設計，減小擋墻墻趾處的寬度，以便在不改遷光纜的基礎上進行施工。

現場實際情況如下圖所示:

圖1 優化前后衡重式路肩擋土墻比較圖

3 優化設計計算

優化后的衡重式擋墻，在原卸荷臺處增加了一個L型懸臂板，整個懸臂板采用鋼筋混凝土材料澆筑，通過該鋼筋混凝土卸荷板，大大減小了作用在擋土墻上的土壓力，故擋土墻的斷面面積得以減小，同時整個擋墻的高度可降低2m左右，節省了大量圬工材料。

針對優化后的擋墻設計方案，對整個高邊坡進行穩定分析，確保邊坡在施工與運營期整體穩定性滿足要求。

(1)計算參數

根據現場資料，擋土墻墻背填料為砂石土及強風化泥巖夾砂石，設計參數分別為:φ=32°，γ=19KN/m2，基底摩擦系數f=0.42。擋土墻上墻高4.0m，下墻高7.5m。承臺臺身采用C25片石混凝土，上部托盤采用C30鋼筋混凝土結構。

結構計算斷面如圖2所示:

圖2 優化后衡重式擋墻計算截面

(2)計算方法

優化后方案臺后土壓力的計算采用折線形墻背土壓力的計算方法，分為上墻和下墻兩部分來分別計算［4-7］。

①作用在墻背上的主動土壓力按庫倫理論進行計算，其中上墻按第二破裂面法計算，兩破裂面交點在卸荷板懸臂端;下墻按力多邊形法進行計算，土壓力強度按矩形分布，作用點為下墻墻高1/2處;

②計算作用于卸荷板上的豎向壓力時，可先計算第二破裂面上的豎向分力，卸荷板承受其長度相應部分投影的應力，再計算第三破裂面及以上土體的自重，兩者疊加即為卸荷板的豎向壓力，在板上均勻分布。

(3)擋墻計算結果

實際計算結果如下:

①擋墻基最大壓應力σ=496.3kPa:

②基底抗滑穩定系數:K滑=1.65＞1.3;

③抗傾覆穩定系數:K滑=1.95＞1.6。

計算結果滿足要求。

(4)邊坡整體穩定性

采用極限平衡法對邊坡的整體穩定性進行分析。根據數值分析結果可知，邊坡滑動最小安全系數為1.499。

圖3 安全系數最小時對應的滑動面

邊坡最不利滑動面上的有效正應力和有效剪應力如圖4、圖5所示。

圖4 最不利滑面有效正應力圖

圖5 最不利滑面有效剪應力圖

該邊坡為一級邊坡，邊坡穩定安全系數限值為1.30［8］，數值分析計算結果，最小安全系數 K=1.499＞1.30，滿足要求。

(5)邊坡潛在滑動面預測

采用有限元方法計算得到該邊坡滑動安全系數K＜1.6的潛在滑動面如圖6所示:

圖6 潛在滑動面分布圖(K＜1.6)

通過對邊坡潛在滑動面的分布進行分析，對現場施工監控與后期運營期高邊坡的安全監測提供理論依據。

(6)工程措施

①擋土墻沿道路前進方向每隔10m設置一道伸縮縫;墻背后設置泄水孔，墻背泄水孔處設置0.5m后碎石反濾層，以減少降水對擋墻穩定性的影響。

②施工過程中，先對墻身片石混凝土進行連續澆筑，待其強度達到設計強度90%后，進行懸臂下墻后土體的回填;回填完畢后進行上部懸臂板施工，新增加L型懸臂板與墻身間設置分布鋼筋進行連接，整個擋墻修筑完畢后，進行懸臂板上填土的分層填筑。

③根據邊坡潛在滑動面分布圖，在安全系數K＜1.6的滑動區內，埋設監測設備，以便對邊坡運營期穩定性狀況進行監測。

4 經濟效益

(1)采用原設計方案，需片石混凝土約3050m2，優化后片石混凝土工程量為1950m2，相比原方案節省36%材料;優化后新增鋼筋混凝土430m2;方案優化后避免拆除已有光纜，節省光纜改遷費總計約200萬;綜合對比，優化后方案總計節省約20%工程費用。

(2)此外，優化后方案還進一步縮減了施工工期，具有顯著經濟效益;

(3)項目自施工完成投入使用至今，使用情況良好。

5 結論

(1)通過對原有衡重式擋墻后增設L型懸臂板，對原有擋墻進行優化，設置懸臂板后，大大減小了作用在擋墻后的土壓力，使擋墻自身尺寸減小，繼而減小擋墻墻趾處的寬度，以便避讓開墻趾處已有光纜設備。

(2)經綜合計算，優化后方案總計節省約20%工程費用，且進一步縮減了整個項目的施工工期，經濟效益明顯。

(3)通過對整個邊坡滑動穩定性進行分析，繪制潛在滑動面分布圖，為后期對易 滑動區域進行安全監測提供依據。

［1］建筑地基基礎設計規范(GB50007-2011)［S］.北京:中國建筑工業出版社，2012:48-49.

［2］吳海根.扶壁式擋土墻卸荷板設計研究［J］.現代交通技術，2014，(2):76-79.

［3］胡云龍，劉國楠，趙有明.衡重式樁板擋墻內力及變形計算方法［J］.路基工程，2013(4):70-74.

［4］劉永春，王石磊.衡重式樁板擋墻的應用與研究［J］.鐵道建筑，2010(10):73-75.

［5］路林海，劉正銀，張明晶，等.某公路衡重式高擋墻病害分析與處置［J］.工程勘察，2012(12):22-26.

［6］王力威.庫倫主動土壓力作用點高度確定方法的改進［J］.力學與實踐，2013(6):55-58.

［7］宋修廣，吳建清，張宏博，等.壓力分散型擋土墻土壓力分布規律分析［J］.科學技術與工程，2014(20):106-110.

［8］建筑邊坡工程技術規范(GB50330-2013).北京:中國建筑工業出版社，2014:60-61.